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Hohe Wasserstoffdichte in Metallhydrid: Bald Supraleitung bei Raumtemperatur?

Forscher aus der Schweiz, den USA und Polen haben entdeckt, dass Wasserstoffatome in einem Metallhydrid ungewöhnlich dicht angeordnet sind. Könnte man sie noch stärker verdichten, würde das Material bei Raumtemperatur und Normaldruck supraleitend werden.

Zirkonium-Vanadium-Hydrid Bildquelle: © Jill Hemman / Oak Ridge National Laboratory, US Dept of Energy

Das Atomgitter von Zirkonium-Vanadium-Hydrid besteht aus Vanadium- (blau) und Zirkoniumatomen (grün), die Wasserstoffatome (rot) einschliessen.

Die am US-amerikanischen Oak Ridge National Laboratory (ORNL, Tennessee) durchgeführten Neutronenstreuexperimente an Zirkonium-Vanadium-Hydrid bei atmosphärischem Druck und Temperaturen von bis zu -23° Celsius ergaben Atomabstände zwischen Wasserstoff-Atomen des Materials von nur 1,6 Angström (< einem Millionstel Millimeter). »Normal« wäre ein Atomabstand von 2,1 Angström zu erwarten. Andere Materialien mit ähnlicher Wasserstoff-Anordnung zeigen supraleitende Eigenschaften, jedoch nur bei extrem hohen Drücken.

»Einige der vielversprechendsten Hochtemperatur-Supraleiter wie Lanthandecahydrid werden bei etwa -20 Grad Celsius supraleitend, bilden sich jedoch leider erst bei einem Druck von 1,6 Millionen Atmosphären«, sagte Rus Hemley von der zum Forschungsteam gehörenden University of Illinois in Chicago. »Jahrzehntelang bestand der 'heilige Gral' für Wissenschaftler darin, ein Material zu finden, das bei Umgebungstemperatur und -druck supraleitend ist, so dass Ingenieure es in konventionelle elektrische Systeme und Geräte einbauen können.«

Die bei der Untersuchung der Wasserstoffwechselwirkungen im Metallhydrid eingesetzte Neutronenspektroskopie zeigte in einem spektralen Signal einen nicht mit den Modellvorhersagen übereinstimmenden Peak bei 50 Millielektronenvolt. Computersimulationen am Supercomputer des ORNL und weitere Experimente ergaben, dass dieser Peak nur auftritt, wenn die Abstände zwischen den Atomen kleiner als 2 Angström sind. Dies wurde in einem Metallhydrid bei Umgebungsdruck und -temperatur noch nie beobachtet.

Ausnahmematerial

Der ermittelte Abstand von 1,6 Angström ist die erste bekannte Ausnahme vom sogenannten “Switendick-Kriterium” in einer bimetallischen Legierung – ein Prinzip, das für stabile Hydride bei Umgebungstemperatur und -druck gilt, wobei der Wasserstoff-Wasserstoff-Abstand nie weniger als 2,1 Angström beträgt.

»Eine wichtige Frage ist nun, ob der von uns beobachtete Effekt speziell auf Zirkonium-Vanadium-Hydrid beschränkt ist oder nicht«, sagt Andreas Borgschulte von der Empa-Abteilung »Advanced Analytical Technologies«. »Wenn wir theoretische Berechnungen des Materials unter Einhaltung des Switendick-Limits durchführen, können wir den charakteristischen Peak in den Spektren nicht verifizieren. Dies führte uns zu der Schlussfolgerung, dass zumindest in Vanadiumhydrid Wasserstoff-Wasserstoff-Paare mit Abständen unter 2,1 Angström auftreten.« Die Forscher wollen nun den Wasserstoff im Gitter der Zirkonium-Vanadium-Hydrid-Legierung bei verschiedenen Drücken maximieren.

Finanziell unterstützt wird das Projekt vom US-Energieministerium, dem Schweizerischen Nationalfonds (SNF) und dem polnischen Nationalen Zentrum für Forschung und Entwicklung in Warschau. Die Foschungsergebnisse wurden in der Zeitschrift Proceedings of the National Academy of Sciences(PNAS) veröffentlicht.